UN PULSAR TIMING ARRAY A RAGGI GAMMA

A caccia del fondo gravitazionale con Fermi

La fusione di buchi neri supermassicci riempie l‘universo di onde gravitazionali a bassa frequenza. Gli astronomi cercano di intercettarle sfruttando le onde radio emesse dalle pulsar della Via Lattea. Ora un team internazionale di scienziati ha dimostrato, attraverso i dati raccolti dal telescopio spaziale Fermi della Nasa, che oltre alle onde radio si possono usare i raggi gamma. «Potremmo raggiungere (e magari superare) la sensibilità dei radiotelescopi al brusio gravitazionale. Sarebbe un risultato bellissimo e assolutamente insperato», dice a Media Inaf Patrizia Caraveo

     11/04/2022
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Rappresentazione artistica del telescopio spaziale Fermi, in orbita a circa 500 km dalla Terra, Crediti: Daniëlle Futselaar/Mpifr (artsource.nl)

Quella giunta la scorsa settimana sulle pagine di Science è una storia di oggetti e fenomeni estremi. È una storia di pulsar e buchi neri – per la precisione, di pulsar al millisecondo osservate nei raggi gamma e di coppie di buchi neri supermassicci che fondendosi danno origine a onde gravitazionali.  Ed è la storia di come un team internazionale di scienziati, analizzando i dati raccolti dal telescopio spaziale per raggi gamma Fermi della Nasa, stia riuscendo a mettere a punto un metodo per rilevare queste lunghissime onde gravitazionali.

Partiamo da ciò che i due fenomeni – le onde gamma emesse dalle pulsar e quelle gravitazionali prodotte dalle coppie di buchi neri supermassicci – hanno in comune: sono onde. Per il resto, più distanti non potrebbero essere: i primi, i raggi gamma, sono le onde più corte dello spettro elettromagnetico, “lunghe” attorno al milionesimo di miliardesimo di millimetro. Le seconde, le onde gravitazionali a bassissima frequenza, sono invece lunghe – questa volta senza virgolette – centinaia di migliaia di miliardi di chilometri.

Luogo d’incontro fra queste due manifestazioni della Natura è l’oceano dello spaziotempo. Un oceano – nel caso dello studio di cui stiamo parlando – solcato dai raggi gamma emessi dalle pulsar al millisecondo e increspato dalle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di buchi neri supermassicci. Onde che, a differenza di quelle prodotte dalla fusione di piccoli oggetti compatti come le stelle di neutroni e i buchi neri di massa stellare, non potranno mai essere rilevate da classici interferometri per onde gravitazionali come Ligo e Virgo: sono troppo lunghe, e dunque con frequenza troppo bassa.

Come registrare dunque il “brusio gravitazionale” a bassissima frequenza prodotto da queste fusioni? Da anni gli astrofisici ci provano facendo ricorso alle pulsar, e in particolare a un array di pulsar. Il metodo si chiama pulsar timing array e sfrutta l’estrema regolarità del segnale emesso da queste stelle di neutroni rotanti e pulsanti. Il principio è abbastanza semplice: perturbato dalle increspature prodotte dalle onde gravitazionali, lo spaziotempo finisce per alterare lievemente il percorso dei fasci di fotoni emessi dalle pulsar – allungandolo o accorciandolo, e dunque introducendo minuscole irregolarità nel ticchettio registrato dai radiotelescopi. Irregolarità che testimoniano, appunto, l’esistenza del rumore gravitazionale di fondo.

Misurare queste irregolarità con i radiotelescopi pone però alcuni problemi, dovuti soprattutto all’interazione delle onde radio con gli elettroni da esse incontrati nello spazio interstellare. Un po’ come un prisma devia la luce visibile, gli elettroni interstellari possono deviare leggermente le onde radio e alterare il loro tempo di arrivo, finendo così per generare confusione con le alterazioni dovute, invece, al fondo gravitazionale.

Ma le pulsar non emettono solo onde radio. Producono, per esempio, anche raggi gamma, soggetti in modo diverso all’interazione con il mezzo interstellare, e dunque in grado di fornire un metodo complementare e indipendente per calcolare il timing delle pulsar. È l’impresa che hanno tentato gli astrofisici usando il telescopio spaziale Fermi della Nasa al posto dei radiotelescopi. I risultati paiono molto promettenti.

«La sorpresa è che lo stesso lavoro compiuto finora con i radiotelescopi può essere fatto con i dati dello strumento Lat a bordo di Fermi», conferma a Media Inaf una delle scienziate della missione Fermi, l’astrofisica Patrizia Caraveo dell’Inaf di Milano. «Lat ha un’area di raccolta molto più piccola di quella di un radiotelescopio, ma non deve essere puntato, perché copre tutto il cielo ogni tre ore e può tenere sotto controllo con continuità decine e decine di pulsar. I fotoni che raccoglie sono pochi ma sono puliti, senza disturbi da parte del mezzo interstellare né dal vento solare, e questo rende Lat quasi competitivo con i radiotelescopi. Utilizzando i dati raccolti durante 12,5 anni di operazione sui 35 millisecond pulsar più brillanti, è stato possibile calcolare un limite superiore al brusio gravitazionale solo di poco peggiore di quello radio. La continuazione della missione Fermi farà aumentare il numero di fotoni disponibili per le analisi e permetterà di raggiungere (e magari superare) la sensibilità dei radiotelescopi al brusio gravitazionale. Sarebbe un risultato bellissimo e assolutamente insperato».

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